Fe2O3/石墨烯可控排列对碳纤维复合材料界面影响研究

摘要

高性能碳纤维复合材料在航空航天、武器装备、能源、交通等国家重大战略发展领域中发挥着至关重要的作用。含纳米基元的多尺度增强新型复合材料近年来受到广泛的关注，为追求更高性能材料开拓了新天地。针对目前热门的纳米级界面的设计调控问题，本文分别采用磁控涂层和磁控接枝两种方法，研究Fe2O3/石墨烯纳米片层在碳纤维表面的可控排列对复合材料界面性能影响。
　　制备含有Fe2O3/石墨烯的环氧上浆剂，对碳纤维进行浸渍处理并在磁场环境下固化，实现纳米层片在碳纤维表面可控排列分布。利用KH-550作为中间体采用磁控接枝方法将Fe2O3/石墨烯接枝到酰氯化后的碳纤维上。分别研究碳纤维上官能团和表面形貌的变化，碳纤维单丝的接触角及拉伸强度变化，复合材料界面剪切强度以及层间剪切强度变化。采用磁控接枝方法改进的碳纤维，通过红外光谱、XPS分析表面元素含量及官能团变化验证了接枝成功，并确定了接枝最佳反应时间为48h，通过扫描电镜、AFM直观表征分析了碳纤维表面微观形貌，经磁控接枝后的碳纤维表面粗糙度明显增大，改进后的复合材料界面性能提高幅度较大。
　　界面性能测试结果表明，磁控涂层改性法可使界面剪切强度IFSS值提高20.43％，对碳纤维本体强度也起到了增强作用，使单丝拉伸强度提高了23%；而对比磁控与非磁控碳纤维复合材料，磁控改性后ILSS值比非磁控提高了11%，前者的微复合材料的IFSS值比后者提升更大，提高了25.4%；磁控接枝改性法使界面剪切强度提高了57%，比非磁控碳纤维微复合材料IFSS值提高了10.3%，浸润性能也有所改善，使纤维对环氧树脂的吸附量提高了55%，层间剪切强度提高了42.4%，与非磁控碳纤维复合材料ILSS值相比增大了16%。
　　这表明通过磁控接枝与磁控涂层技术引入并调控Fe2O3/石墨烯纳米片层在碳纤维表面的定向排列，有助于提高复合材料界面性能，对于解决纳米级界面设计调控问题具有重要意义。

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第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 碳纤维的发展及其研究进展

1.3 多尺度增强纤维复合材料的界面研究

1.4 石墨烯及其在复合材料中的应用研究

1.5 超临界抗溶剂技术与纳米材料

1.6 课题主要研究内容

第2章 实验材料及实验方法

2.1 实验药品及试验设备

2.2 样品的制备

2.3 研究方法

第3章 含Fe2O3/石墨烯磁控涂层对碳纤维及复合材料界面性能影响

3.1 Fe2O3/石墨烯纳米复合物及其环氧复合材料的表征测试

3.2 含Fe2O3/石墨烯的磁控涂层对碳纤维表面的影响

3.3 含Fe2O3/石墨烯磁控涂层对碳纤维及复合材料界面性能影响

3.4 本章小结

第4章 Fe2O3/石墨烯磁控接枝改性对碳纤维及复合材料界面性能影响

4.1 磁控接枝改性碳纤维

4.2 磁控接枝改性对纤维及复合材料力学性能影响

4.3 Fe2O3/石墨烯磁控改性影响机理研究

4.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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